Устройство обработки сигналов электромузыкальных инструментов Советский патент 1992 года по МПК G10H1/40 G10H5/00 G10H7/00 

Изобретение относится к электромузыкальным инструментам и может быть использовано в музыкальных инструментах с преобразователями механических, акустических колебаний звуковой частоты в злект- рические, в частности, в элетрогитарах, а также в измерительной технике в качестве высокостабильных генераторов перестраиваемой частоты, в умножителях частоты звукового диапазона.

Известны устройства для формирования музыкальных сигналов различной формы, содержащие генератор импульсов, делитель частоты, адресный счетчик, запоминающее устройство, цифроаиалоговый преобразователь.

Недостатком известных устройств является то, что в качестве сигнала адресации используется сигнал генератора заданной амплитуды, что не дает возможности их при- менения для обработки аналоговых сигналов с затухающей амплитудой реальных электромузыкальных инструментов.

Наиболее близким по технической сущ- ности к данному устройству является одноголосый электромузыкальный инструмент, содержащий датчик сигнала, зУход которого через предварительный усилитель подключен к входу блока выделения основного тона и соединенные последовательно измеритель периода запоминающий регистр, их входы установки а ноль соединены с шиной сигналов сброса, а выход запоминающего регистра соединен с пераой группой входов компаратора, вторая группа входов которого соединена с выходом счетчика импульсов, который входом обнуления соединен с выходом компаратора, а счетным входом соединен с выходом такгового генератора и входом делителя частоты, имеющего своей нагрузкой тактовый вход измерителя периода. Компаратор кроме счетчика нагружен на формирователь гармонмк и субгармоник, сигналу с выхода которого подаются на вход формирователя тембра, подключенного последовательно через усилитель к акустической системе. Устройство запоминает с наперед заданной точностью частоту гармоники спектра, полученную ис входного сигнала основного тона, являющуюся наименьшим общим кратным (И О К) частот гармоник воспроизводимого спектра, и осуществляет последующее деление частоты гармоники на делители НОК, полученные в результате гармоники и субгармонмки складываются с определенными весами характерными для звучания имитируемого инструменте. Длительность выходного сигнала не зависит от длительности сигнала, полученного в датчике, а определяется желанием исполнителя.

Недостатком известного устройства яв- пяется следующее.

Предложенный метод формирования гармоник и субгармоник затрудняет формирование требуемой формы выходного сигнала, так как получаемые гармоники и субгармоникм путем деления частоты имеют одинаковые начальные фазы, а как изве.ст- но, фазочастотный спектр произвольной формы сигнала имеет сложную зависимость, кроме того, полученный в результате деления меандр в качестве отдельной гармоники в свою очередь имеет широкий спектр с набором гармоник, что при синтезировании определенных тембров будет затруднять выбор нужного тембра. Отсутствие блоков для выделения огибающей входного сигнала и накладывания ее на синтезированный сигнал делает невозможным применение устройства в электромузыкальных инструментах, размах сигнала которых носит затухающий характер.

Цель изобретения - приближение тембровых характеристик устройства ктембровым характеристикам реальных инструментов.

Данное устройство расширяет возможности электромузыкального инструмента, например электрогитары. Благодаря используемому методу появляется возможность имитировать звучание различных музыкальных инструментов. Для этого необходимо изменить форму входного сигнала, сделать ее аналогичной фсн-ме ,. . ;и- ткруемого музыкального инструмента.

Введенные в устройство блоки позволяют производить считывание данных с оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) с частотой, пропорциональной частоте входного сигнала, и накладывание преоб- разованчой огибающей входного сигнала в усилителе упрапляемого напряжением на синтезированную форму сигнала на выходе цифроаналогового преобразователя (ЦАП).

На фиг. 1 представлена блок-схема одного канала устройства обработки сигналов электромузыкальных инструментов (ЭМИ), На фиг. 2-4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство обработки сигналов ЭМИ содержит несколько однотипных каналов, количество которых соответствует количеству одноголосных источников звука и соответствующих с ними преобразователей звуковых сигналов в электрические, Примером может служить электрогитара, имеющая звукосниматели. Один из каналов, блок-схема которого показана на фиг. 1, содержит последовательно соединенные звукосниматель 1.1, предварительный усилитель 2.1, блок 3.1 выделения основного тона, блок 4,1 измерения периода, запоминающий регистр 5.1, компаратор 6.1, счетчик 7.1 адреса, запоминающее устройство 8.1, цифроанэлоговый преобразователь 9.1, усилитель 10.1, управляемый напряжением, полосовой фильтр 11.1, переключатель 12.1 тембра, суммирующий усилитель 13.1. Тактовый генератор 14 имеет разветвленный выход, каждый из его выходов соединен с соответствующим счетчиком 15,1 импульсов Делитель 6.1 частоты, входом соединенный с тактовым генератором, также имеет разветвленный выход, каждый из которых соединен с блоком 4.1 измерения периода своего канала. Кроме того, устройство канала содержит счетчик 15.1, соединенный с второй группой входов компаратора 6.1, блок 17.1 выделения и формирования огибающей соединенный с блоком 18,1 выбора огибающей и с выходом предварительного усилителя, а выход блока выделения и формировании огибающей подключен к управляющему входу усилителя 10.1, управляемого напряжением. Инвертор 19.1, вход которого соединен с выходом блока 3.1 выделения основного тона, а выход через блок 20.1 задержки - с входом обнуления блока 4.1 измерения периода и входом разрешения записи блока запоминающего регистра 5.1. Программатор 21 является общим для всех каналов, выход которого одновременно соединен со всеми входами ввода данных оперативных запоминающих устройств.

Блок 17.1 выделяет огибающую сигнала (фиг, 3, а), полученного с блока 2.1 с помощью детектора и сглаживающего фильтра, Далее огибающая сигнала (фиг. 3, б) поступает на компаратор напряжения, где формируется прямоугольный импульс (фиг. 3, в), по длительности равный длительности звучания ноты. Этот импульс преобразуется соответствующим образом с помощью реактивных цепей. Постоянную времени и вид цепи можно скоммутировать с помощью переключателей, находящихся в блоке 18.1. Выбранная форма огибающей (фиг. 3, г, 2 или фиг. 3, г 1} подается на управляющий вход усилителя 10.1, который используется как амплитудный модулятор, форма выходного сигнала которого представлена на фиг, 3, д.

Согласно теоремы Котельникова частота следования отсчетов fg сигнала S(t) определяется как

fg 2fm.

Если выбрать частоту fm, равную максимальной частоте слышимого диапазона частот 20 кГц, то

Гд 40-103Гц.

5А частоту основного тона имитируемого

инструмента, равную fu 100 Гц, тогда максимальное количество выборок v на периоде сигнала S(t):

v fg/fu 400.

0При восьмиразрядном цифроаналоговом преобразователе (ЦАП). объем памяти запоминающего устройства 8.1 равен 400 байт.

w v.p 400-8 400 байт, 5 где р - разрядность ЦАП,

Программирование запоминающего устройства 8.1 производится с помощью фото- графии или рисунка формы сигнала имитируемого музыкального инструмента. 0 Так как предлагаемое устройство является многоканальным, в электрогитаре число каналов определяется числом струн. Для каж: дои струны выбирается частота сигнала в середине звукоразряда, осциллограмма ко- 5 торого затем фотографируется. Сигнал на фотографии дискретизируется по времени (фиг. 4). Временная ось делится на количество выборок, каждому моменту времени ti,

t2tN-,CTaBMTCH в соответствие мгновенное

0 значение сигнала S(t), которое переводится в двоичную форму и записывается в запоминающем устройстве 8.1. Перевод в двоичную форму записи осуществляется согласно

(1).

5Dn Amr2p/Am,(1)

где Am - максимальное отклонение сигнала (фиг. 4) в момент времени IN:

Amt - отклонение сигнала в моменты времени TN по возрастанию;

0р - разрядность ЦАП.

Полученное значение Dn округляется, переводится в двоичную форму записи и записывается в ОЗУ, блок 8.1. На практике сигнал S(t) основного тона музыкального ин5 струмента fu 100 Гц не содержит гармонику с частотой fm 20 кГц, следовательно количество отсчетов v меньше 400. Для точного определения fm сигнал S(t) подают на анализатор спектра.

0Устройство одного из каналов (фиг. 1)

работает следующим образом.

Электрический сигнал, полученный в датчике 1.1, усиливаясь в предварительном усилителе 6,1, преобразуется в блоке 3.1

5 выделения основного тона в импульсы прямоугольной формы. В соответствии с числом N, которое получено при измерении длительности импульса, равного половине периода сигналов, поступающих с датчика 1.1 в блок 4.1 измерения периода, на выходе

компаратора 6.1 формируется сигнал, частота которого равна результату деления тактовой частоты на число N . Полученный сигнал на выходе компаратора 6.1 в адресном счетчике 7.1 преобразуется в параллельный код, являющийся адресом оперативного запоминающего устройства 8.1, хранящего в цифровом виде отдельные выборки сигнала, форма которого была наперед задана, Путем периодического считывания информации из ОЗУ 8.1 и преобразования в цифроаналоговом преобразователе 9.1, на выходе которого в аналоговом аиде вырабатываются выборки, амплитуда которых повторяет форму заданного сигнала. На полученный аналоговый сигнал в усилителе 10.1, управляемом напряжением, накладывается огибающая, сформированная в блоке 17.1 выделения и формирования огибающей. С выхода усилителя, управляемого напряжением, аналоговый сигнал может быть пропущен через полосовой фильтр 11.1, ограничивающий наличие в спектре сигнала высокочастотные сортавляющие или благодаря наличию пеерключателя 12,1, непосредственно на суммирующий усилитель 13.1, который суммирует взвешивая сигналы всех каналов в зависимости от положения регуляторов уровня (на блок-схеме не показано). С выхода суммирующего усилителя сигнал может быть подан на дополнительные устройства обработки сигнала (на блок-схеме не показано).

В качестве программатора 21 оперативных запоминающих устройств может служить как микропроцессор, так и самостоятельное устройство, содержащее переключатели.

Сигнал с частотой тактового генератора с одной стороны служит единицей измерения частоты сигнала на выходе компаратора, с другой - значение этой частоты поделенное на число К в блоке делителя 16.1 частоты служит для измерения длительности входных импульсов звуковой частоты. Длительность периода измерительных импульсов равна

Ти - К-Тт,(2)

где Ти - длительность периода измерительных импульсов;

Тт - длительность периода тактовых импульсов;

К - коэффициент деления тактовой частоты (представляет собой целое число).

По заполнении импульса звуковой частоты, длительность которого равна половине периода (фиг, 2, б), импульсами измерения, последние подсчитываются счетчиком блока 4.1 измерения. Сброс счетчика 4.1 измерения осуществляется по переднему фронту инвертированного и задержанного импульса звуковой частоты, который поступает с блока 3,1 выделения основного тона через инвертор 9.1 и блок

20.1 зздержки. Задержка инвертированного сигнала осуществляется на время, которое необходимо для записи информации в запоминающий регистр и не должно превышать четвертой части периода входного сигнала

звукопой частоты:.

t3 - -д Тз мин

(3)

где Гз - время задержки сигнала в блоке задержки 3;

Тзмин - минимальная длительность периода сигналов звуковой частоты.

Информация, поступающая в запоминающий регистр 5.1 с блока 4.1 измерения, записывается по переднему фронту сигнала, поступающего с блока 19.1 инвертирования сигнала и сохраняется гам в течение периода Сигнала звуковой частоты, поступающего с датчика 1.1. Вследствие того, что частота измерительных импульсов в К раз

меньше тактовой частоты, счетчик 15.1 импульсов успеет несколько раз достичь до числа г4 , тем самым на выходе компаратора при равенстве двух чисел N и N1, поступающих на первую и вторую группу входов соответственно, образуются импульсы с частотой Тоых, следовательно:

fBUx fT/N.(4)

N Т3 в/(КТт), (5)

где та в длительность импульсов сигнала звуковой частоты;

fr - частота следования импульсов тактового генератора 14.

Так как входной сигнал блока 4.1 измерения периода представляет собой меандр с частотой основного тона сформированный в блоке 3.1 выделения основного тона, то

Т3 в- Тзв/2 1 /2тэв,(6)

где Тзв длительность периода импульсов звуковой частоты основного тона; f3B - частота следования импульсов сигнала основного тона.

Выходная частота компаратора, определяющая эстоту следования выборок на выходе цифроаналогового преобразователя 9.1 согласно (4):

fBb.x-fT/N 2Kf3B. (7)

Количество выборок укладывающихся на периоде входного сигнала звуковой частоты определяется как:

Q - fenx/fae 2К.(8)

Разрешающая способность блока 4.1 измерения по частоте определяется длительностью периода импульсов измерительного сигнала Ти, и равна

Af3B f3B- 1/(Тэв + КТт),(9)

где Af3B - разрешающая способность по частоте блока 4.1 измерения.

Пример, который позволит реально оценить частоту тактового генератора и раз- решающую способность, Выберем частотный диапазон шестиструнной гитары с Тэмин 80 Гц и тумаке 1 кГц, a fT 100 МГц, К 10 согласно (8), (7), (5), (9) соответственно получим при f3MHH 80 Гц, G 20, fBbix 1600 Гц, N 62500. ДГ3в 6,4.104Гц. На верхнем пределе частотного диапазона при fsMaKc 1000 Гц, G 20. febix 2-Ю4 Гц, N 5-Ю3, Af3B 0,1 Гц.

Использование в качестве сигнала ад- ресации оперативного запоминающего устройства значения частоты основного тона, а также наличие блока выделения и формирования огибающей позволяет неучитывать конкретный тип ЭМИ Использование ОЗУ, в которое может быть записана любая форма сигнала имитируемого инструмента с достаточной степенью достоверности, позволяет сократить расходы на разработку устройств обработки сигналов для каждого в отдельности типа электромузыкальных инструментов,

Формула изобретения Устройство обработки сигналов элект- ромузыкальных инструментов, содержащее /силитель, датчик сигнала, выход которого через предварительный усилитель подключен к входу блока выделения основного тона, выход которого подключен к входу блока измерения периода, выходы которого подключены к входам запоминающего регистра, выходы которого соединены с первой группой входов компаратора, вторая группа входов которого соединена с выходом счет-

чика импульсов вход сброса которого соединен с выходом компаратора, а счетный вход подключен к выходу тактового генератора и входу делителя частоты, выход которого подключен к тактовому входу блока измерения периода, отличающееся тем, что, с целью приближения тембровых характеристик устройства к тембровым характеристикам реальных инструментов, усилитель выполнен управляемым напряжением и введены счетчик адреса, запоми- нающее устройство, программатор, цифроаналоговый преобразователь, блок выбора огибающей, блок выделения и формирования огибающей, полосовой фильтр, переключатель тембра, суммирующий усилитель, блок задержки, инвертор, вход которого подключен к выходу блока выделения основного тона, а выход - к тактовому входу запоминающего регистра и через блок задержки к входу установки в начальное состояние блока измерения периода, причем счетный вход счетчика адреса подключен к выходу компаратора, а выходы - к первой группе входов запоминающего устройс- ства, вторая группа входов которого подключена к выходам программатора, а выходы - к входам цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом усилителя, управляемого напряжением, управляющий вход которого подключен к выходу блока выделения и формирования огибающей, вход которого подключен к выходу предварительного усилителя, группа входов - к выходам блока выбора огибающей, а выход усилителя, управляемого напряжением, подключен к последовательно соединенным полосовому фильтру, переключателю тембра и суммирующему усилителю.

Изобретение может быть использовано в музыкальных инструментах с преобразователями механических, акустических колебаний звуковой частоты в электрические. Устройство содержит звукосниматель 1.1, предварительный усилитель 2.1, блок 3.1 выделения основного тона, блок 4.1 измерения периода, запоминающий регистр 5.1. компаратор 6.1, счетчик 7.1 адреса, запоминающее устройство 8.1, цифроаналоговый преобразователь 9.1, усилитель 10.1 управляемый напряжением, полосовой фильтр 11.1, переключатель 12,1 тембра, суммирующий усилитель 13.1, тактовый генератор 14, счетчик 15.1 импульсов, делитель 16.1 частоты, блок 17.1 выделения и формирования огибающей, блок 18.1 выбора огибающей, инвертор 19.1, блок 20.1 задержки, программатор 21. 4 ил.

ё

# .

л I

о

,

f№3